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1、基础生物化学,生命学院 罗鑫娟,史记周本纪载：后稷是帝喾的元妃姜媛的儿子，名叫弃。儿时就有巨人之志，好种树、麻、菽、麦，成人后遂好耕作，教民稼穑。帝尧举为农师，封于有邰，号曰后稷，别姓姬氏。,小偃6号,李振声,5 糖类分解代谢,5.1 新陈代谢概论5.2 生物体内的糖类5.3 双糖和多糖的酶促降解5.4 糖酵解5.5 三羧酸循环5.6 磷酸戊糖途径5.7 糖醛酸途径,5.1 新陈代谢概论,同化作用(assimilation)合成代谢,异化作用(dissimilation)分解代谢,新陈代谢是生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。,新陈代谢,同一种物质，其分解代谢和合成代谢的途径一般是不相同的
2、。不是简单的可逆反应。,能量代谢在新陈代谢中的重要地位,以物质代谢为基础，与物质代谢过程相伴随发生的，蕴藏在化学物质中的能量转化，统称为能量代谢。太阳能是所有生物最根本的能量来源。在分解代谢中，起捕获和贮存能量作用的分子是ATP：提供生物合成做化学功时所需的能量；是生物机体活动以及肌肉收缩的能量来源；供给营养物质逆浓度梯度跨膜运输到机体细胞所需的自由能。在DNA、RNA和蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递。一个安静状态的成人，一日内需消耗40kg的ATP，激烈运动时，每分钟0.5kgATP。,新陈代谢的特点,反应条件温和，酶催化。相互配合、彼此协调、顺序严格。形成代谢网络。每一代谢都有
3、各自的代谢途径。生物大分子的分解和合成都是逐步进行的，并伴随能量的释放和吸收。,代谢的研究方法,1.示踪法苯环化合物示踪法：Franz Knoop利用苯基标记脂肪酸，提出了脂肪酸-氧化学说。稳定同位素示踪法：利用15NH4Cl，标记DNA分子，证明了DNA的半保留复制方式。放射性同位素示踪法：卡尔文以14CO2饲喂植物，再用纸层析分离CO2代谢的中间物，提出光合作用中CO2转变为糖的卡尔文循环(Calvin cycle)。,2.抗代谢物、酶抑制剂的应用,在离体条件下，使用抗代谢物和酶抑制剂可使代谢途径受到阻断，结果造成某一种代谢中间物的累积，从而为测定该中间代谢物提供可能。酵母的酒精发酵。,体
4、内研究和体外研究,体内研究(in vivo)以生物整体进行中间代谢的研究。包括用整体器官或微生物细胞群进行的研究。Knoop以犬为研究对象，饲喂苯环标记的脂肪 酸，再研究犬尿中苯标记物的状态。体外研究(in vitro，no vivo)以组织切片、匀浆、提取液为材料进行的研究。Krebs以肌肉糜(匀浆)为材料，研究抑制剂和反应物加入后对反应中间物和代谢终产物的影响，确定了TCA的反应历程。,5.2 生物体内的糖类,什么是糖？糖是具有实验式(CH2O)n的多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物；糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、寡糖和多糖；在生物体内，糖类物质主要以同多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚
5、糖形式存在。,糖类的生物学作用,作为生物体的结构成分。纤维素、半纤维素、果胶等(植物细胞壁)，肽聚糖(细菌细胞壁)作为生物体的主要能源物质。淀粉、糖原在生物体内转变为其他物质。为氨基酸、核苷酸、脂肪酸等的合成提供碳骨架。作为细胞识别的信息分子。糖与蛋白质、脂类结合形成复合糖，参与细胞识别、防御、免疫、粘附、结构等多种过程。,5.2.1 单糖(monosaccharides),单糖是最简单的、不再被水解成更小的糖单位。(CH2O)n n=39根据单糖的碳原子数目分为丙、丁、戊、已糖等。根据单糖结构特点又分为醛糖和酮糖。,D-与L-构型,重要的单糖,单糖磷酸酯,D-甘油醛-3-磷酸,-D-葡萄糖-
6、1-磷酸,-D-葡萄糖-6-磷酸,-D-果糖-6-磷酸,-D-果糖-1，6-二磷酸,5.2.2 寡糖(oligosaccharides),寡糖是少数单糖(210)的缩合产物，最重要的是双糖。双糖：蔗糖(sucrose)麦芽糖(maltose)乳糖(lactose),麦芽糖的形成,蔗糖,乳糖,5.2.3 多醣(polysaccharides),多糖是多个单糖基通过糖苷键连接而形成的高聚物。常见的有由一种类型的糖基组成的淀粉(starch)、糖原(glycogen)和纤维素(cellulose)等。,淀粉,糖原,纤维素,纤维素是构成植物躯干的主要成分。由许多-D-葡萄糖分子通过(14)糖苷键缩合生
7、成。纤维素不溶于水、稀酸、稀碱及其他普通有机溶剂。,5.3双糖和多糖的酶促降解,5.3.1蔗糖、麦芽糖、乳糖的酶促降解1.蔗糖的水解在蔗糖合成酶作用下水解,在蔗糖酶(转化酶)作用下水解,2.麦芽糖的水解,3.乳糖的水解,乳糖在-半乳糖苷酶催化下水解为葡萄糖和半乳糖。,5.3.2淀粉(糖原)的酶促降解,5.3.2.1 淀粉的酶促水解1.-淀粉酶：耐热(70,15min)不耐酸(pH3.3)；水解-1,4糖苷键；将直链淀粉水解为葡萄糖和麦芽糖的混合物；对支链淀粉的作用产物为葡萄糖，麦芽糖和糊精。,2.-淀粉酶耐酸不耐热；从非还原性末端逐次以麦芽糖为单位切断-1,4-糖苷键；将直链淀粉水解成麦芽糖；
8、将支链淀粉(或糖原)水解为麦芽糖和极限糊精。,淀粉,3.脱支酶(R酶)专一水解-1,6糖苷键4.麦芽糖酶水解麦芽糖和糊精-1,4糖苷键，生成葡萄糖。,5.3.2.2 淀粉的磷酸解,淀粉广泛存在于叶片及绝大多数贮藏器官中。催化-1,4葡聚糖非还原末端的葡萄糖残基转移给Pi，生成G-1-P，同时产生一个新的非还原末端，继续进行上述磷酸化过程。淀粉+n H3PO4=n G-1-P,5.3.2.3 糖原的磷酸解,糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)主要位于动物肝脏中，分解糖原直接补充血糖。两种形态：糖原磷酸化酶a(磷酸化，活化态)糖原磷酸化酶b(失活态),糖原降解过程,动物细胞
9、,植物细胞,丙酮酸氧化三羧酸循环,磷酸戊糖途径糖酵解糖异生,单糖的分解代谢,多糖水解为单糖。葡萄糖是大多数有机体生命活动的主要能源-ATP。,糖类物质进入体内(细胞内)的途径,肠腔(多糖、寡糖及二糖分解为单糖)肠粘膜细胞肠壁毛细血管肝静脉肝血液(血糖)组织,5.4 糖酵解,5.4.1 糖酵解的概念5.4.2糖酵解的化学历程5.4.3糖酵解的化学计量与生物学意义5.4.4糖酵解的其他底物5.4.5 丙酮酸的去路5.4.6糖酵解的调控,糖酵解的研究历史,1897年Buchner兄弟用细砂研磨酵母细胞压取汁液，再加入蔗糖酒精。(第一贡献)1905年A.Harder将酵母加入葡萄糖，发酵仍然进行；加入
10、无机磷酸盐，发酵作用增强。发酵液提取到二磷酸果糖，同时发现发酵作用必需两类物质“酿酶”和“辅酶”。(第二贡献)随后，从研究肌肉生成乳酸许多反应表明：糖酵解和生醇发酵作用反应序列基本相似。1940年糖酵解全过程(反应过程和酶)均清楚。,5.4.1糖酵解(glycolysis)的概念,概念：葡萄糖在酶作用下，在细胞质中经一系列脱氢作用，氧化分解成丙酮酸(pyruvate)并产生ATP的过程。由于该氧化分解没有氧气参与，故称为糖酵解。G.Embden,O.Meyerhof,J.K.Parnas在研究糖酵解途径中作出了重大贡献，因此该途径也称作Embden-Meyethof-Parnas途径，简称EM
11、P途径。,5.4.2 EMP的生化历程,5.4.2.1 己糖的磷酸化,1.葡萄糖的磷酸化(phosphorylation of glucose),消耗ATP意义：活化了G使进入细胞的G不再逸出细胞Mg2+是HK的激活剂己糖激酶是第1个限速酶激酶：从ATP转移磷酸基团到受体上的酶。,2.G-6-P的异构反应(isomerization of glucose-6-phosphate),3.F-6-P的磷酸化(phosphorylation of fructose-6-phosphate),5.4.2.2 磷酸己糖的裂解,4.1,6-二磷酸果糖(FBP)的裂解(cleavage of fructos
12、e 1,6 bisphosphate),DHAP,GAP,5.磷酸二羟丙酮的异构反应(isomerization of DHAP),5.4.2.3 丙酮酸的生成,6.3-磷酸甘油醛(GAP)的氧化(oxidation of GAP),GAP的氧化是EMP途径中的首次氧化反应。反应的磷酸根来自无机磷酸。NAD+为3-磷酸甘油醛脱氢酶的辅酶，接受氢和电子生成NADH。醛基氧化释放的能量推动了产物BPGA的形成，BPGA含有1个酰基磷酸，酰基磷酸是具有高能磷酸基团转移势能的化合物。,砷酸盐破坏BPGA的形成：形成的砷酸化合物不稳定，迅速水解，结果是GAP氧化释放的能量未能与磷酸化作用相偶联而被储存。
13、,3-磷酸甘油醛脱氢酶的活性部位含有一个带自由巯基的Cys，碘乙酸可与巯基反应，抑制该酶的活性。碘乙酸是该酶的不可逆抑制剂。,7.1,3-二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应,PGK,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation),在底物氧化过程中，将底物分子中高能磷酸基团直接转移给ADP，偶联生成ATP的反应。,8.3-磷酸甘油酸的变位反应,磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)催化3-PGA的C3位上的磷酸基转变到C2位上生成2-PGA。,9.2-磷酸甘油酸的脱水反应,由烯醇化酶催化，2-PGA脱水且能量重新分配，生成含高能磷酸键的
14、磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP)。,10.PEP的磷酸转移,第三阶段,Mg2+或Mn2+,丙酮酸,PEP,丙酮酸激酶,脱氢酶,激酶,变位酶,烯醇化酶,EMP总结,3阶段10步反应3步不可逆，三种关键酶：己糖激酶、6-磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶 2步耗能：第一阶段为消耗阶段 2步产能：底物水平磷酸化1步脱水,G+2Pi+2NAD+2ADP2Pyr+2ATP+2NADH+2H+2H2O,5.4.3糖酵解的化学计量和生物学意义,G+2Pi+2NAD+2ADP2Pyr+2ATP+2NADH+2H+2H2O,1分子 G 经过 EMP氧化分解产生 2个Pyr，2个ATP，2
15、个NADH。2个NADH若进入有氧彻底氧化途径，可产生5(or 3)个 ATP。因此：EMP途径中共生成7(or 5)个ATP。,糖酵解生物学意义,是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径。形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供碳骨架。为糖异生提供基本途径。在糖与非糖物质的相互转变过程中起着重要作用。,CT,PET,5.4.4糖酵解的其他底物,海藻糖,甘露糖,5.4.5 丙酮酸的去路,丙酮酸的无氧降解,生成乳酸动物包括人，在激烈运动时，或由于呼吸系统、循环系统障碍而发生供氧不足时，缺氧的细胞必需用糖酵解产生的ATP分子暂时满足对能量的需要。为了使GAP继续氧化，必需提供氧化型的N
16、AD+。,生成乙醇,糖异生作用(gluconeogenesis),糖异生：由非糖前体如Pyr、OAA、甘油等合成葡萄糖的过程。糖异生代谢途径主要存在于肝及肾中。,糖异生的证据,用整体动物做实验：禁食24小时大鼠肝脏中的糖原由7%降低到1%饲喂乳酸、丙酮酸或三羧酸循环代谢的中间物大鼠肝糖原增加根皮苷是一种从梨树茎皮中提取的有毒糖苷，它能抑制肾小管将G重吸收进入血液，这样血液中的G就不断的由尿中排出。给用根皮苷处理过的动物饲喂TCA中间代谢物或生糖氨基酸这些动物尿中的糖含量增加,糖异生的生理意义,糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料的，成人每天约需要160
17、克葡萄糖，其中120克用于脑代谢，而糖原的贮存量是很有限的，所以需要糖异生来补充糖的不足。回收乳酸分子中的能量。,糖异生总反应式：2Pyr+4ATP+2GTP+2NADH+2H+4H2O G+2NAD+4ADP+2GDP+6Pi,1.丙酮酸生成PEP,.丙酮酸羧化酶催化Pyr羧化生成OAA,.PEP羧激酶催化OAA形成PEP,2.F-B-P转化成F-6-P,果糖-1,6-二磷酸酶是变构酶，受AMP、2,6-二磷酸果糖变构抑制，但受ATP、柠檬酸变构激活。,3.G-6-P转化成G,5.4.6 糖酵解的调节,糖酵解过程中有三步反应不可逆：己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶这三种酶称为糖酵解过程的限速酶
18、。,1.磷酸果糖激酶(PFK),AMP-别构激活剂；ATP-别构抑制剂。,PFK是一种别构酶，催化效率很低，糖酵解的速率严格的依赖该酶的活力水平。,柠檬酸和脂肪酸-别构抑制剂柠檬酸和脂肪酸分别是糖有氧分解中间物和以糖分解中间物为原料合成的产物。EMP不仅提供能量，也为生物合成提供碳骨架。细胞内柠檬酸含量高，意味着有丰富的生物合成前体存在，葡萄糖无需为提供合成前体而降解。,果糖-2,6-二磷酸对PFK的调节,果糖-2,6-二磷酸激酶-PFK2：催化 F-6-P磷酸化形成果糖-2,6-二磷酸(F-2,6-BP)；果糖-2,6-二磷酸酯酶-FBPase-2：催化F-2,6-BP水解，去磷酸形成 F-
19、6-P。,果糖-2,6-二磷酸的作用,胰高血糖素,H+对磷酸果糖激酶的调节,PFK被H+抑制，在pH明显下降时糖酵解速率降低。阻止整个酵解途径的继续进行，从而防止在缺氧条件下乳酸的继续形成；这又可防止血液pH的下降，有利于避免形成过量乳酸而导致酸中毒。,2.己糖激酶(HK),己糖激酶(HK)的别构抑制剂为其产物 G-6-P。当磷酸果糖激酶(PFK)活性被抑制时，底物F-6-P积累，进而使 G-6-P浓度升高，从而引起HK活性下降。,3.丙酮酸激酶(PK),丙酮酸激酶具有别构酶性质。反馈抑制：高浓度ATPAla乙酰CoAcAMP激活蛋白激酶也使PK磷酸化而失活激活剂：ADPMg2+或K+F-1,
20、6-BP,糖酵解和糖异生的互补调节,高水平的ATP、NADH变构抑制PFK和PK，而变构激活二磷酸果糖酯酶。促进糖异生Pi、AMP、ADP变构激活PFK、PK，而变构抑制二磷酸果糖酯酶。促进糖酵解ATP/ADP比值高时EMP途径关闭，糖异生打开；ATP/ADP比值低时EMP打开，糖异生活性降低。,5.5 三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA),5.5.1 丙酮酸氧化为乙酰CoA5.5.2 三羧酸循环5.5.3 三羧酸循环的调控5.5.4 三羧酸循环的生物学意义,三羧酸循环的发现,1937年-HA.Krebs-鸽胸肌为材料也叫做柠檬酸循环、Krebs循环 HA.K
21、rebs 1953年获得诺贝尔生理医学奖。,三羧酸循环的概念,TCA 循环：EMP代谢的终产物丙酮酸在有氧条件下进入线粒体并被氧化分解为CO2，同时释放出大量能量的过程。,5.5.1 丙酮酸氧化为乙酰CoA,丙酮酸脱氢酶系(pyruvate dehydrogenase complex,PDH)：多酶复合体，位于线粒体内膜上。六种辅因子：焦磷酸硫胺素(TPP)、硫辛酸、FAD、NAD+、HS-CoA、Mg2+,30个E1 60个E26个E3,丙酮酸氧化为乙酰CoA的调节,产物别构抑制乙酰CoA抑制二氢硫辛酸转乙酰酶-E2NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶-E3抑制效应可被CoA-SH和NAD+逆转核苷
22、酸调节丙酮酸脱羧酶E1受ATP抑制，为AMP活化。,共价修饰调节,丙酮酸脱羧酶分子上特殊的Ser残基可被专一磷酸激酶磷酸化，失去活性；当酶上磷酸基团被专一的磷酸酶水解时，活性恢复。,丙酮酸脱氢酶系Pyruvate dehydrogenase complex,5.5.2 三羧酸循环,5.5.2.1三羧酸循环的反应历程,1.乙酰CoA与草酰乙酸(OAA)缩合成柠檬酸(citrate)柠檬酸合酶(citrate synthase)催化。此反应释放能量，不可逆。,2.异柠檬酸形成,柠檬酸异构化形成异柠檬酸是适应柠檬酸进一步氧化的需要：柠檬酸是一个叔醇化合物，它的羟基所处的位置妨碍柠檬酸的进一步氧化；异
23、柠檬酸是可以继续氧化的仲醇。,Aconitase-顺乌头酸酶,3.异柠檬酸氧化脱酸生成-酮戊二酸,此反应为-氧化脱羧，此酶需要Mg2+作为激活剂。,4.-酮戊二酸氧化脱羧,-酮戊二酸脱氢酶系催化；形成一个高能硫酯键。,硫辛酸,-酮戊二酸脱氢酶复合体，受ATP、GTP、NADH、琥珀酰CoA抑制，但不受磷酸化/去磷酸化的调控。,-酮戊二酸脱氢酶系,-酮戊二酸脱羧酶,二氢硫辛酸琥珀酰基转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,3个酶,6个辅酶,TPP,HS-CoA,NAD+,FAD,Mg2+,硫辛酸,5.琥珀酸的生成,琥珀酸硫激酶(succinate thiokinase)催化，琥珀酰CoA硫酯键水解生成琥珀酸，
24、释放自由能合成GTP。,小结与思考,在已经进行的5步反应中，一个乙酰基被氧化为2分子CO2，并使2分子NAD还原为2分子NADH。还产生了1个高能磷酸基团(GTP)。如何使机体产生的乙酰基在细胞内不断的进行氧化分解？,6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸,琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase)催化琥珀酸氧化生成延胡索酸(反丁烯二酸)。,琥珀酸脱氢酶是TCA循环中唯一结合在线粒体内膜上并直接与呼吸链联系的酶。琥珀酸脱氢酶含有铁硫中心和共价结合的FAD，来自琥珀酸的电子通过FAD和铁硫中心，然后进入电子传递链(ETC)到O2。Krebs首先观察到丙二酸抑制细胞呼吸的现象，这一现象启发
25、他提出柠檬酸循环假说的重要实验之一。戊二酸是琥珀酸的类似物，是琥珀酸脱氢酶强有力的竞争性抑制物，所以可以阻断TCA。,7.苹果酸的生成,延胡索酸酶,8.草酰乙酸再生,TCA循环总结,4步氧化还原：3NAD，1FAD3步不可逆：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶催化的反应2步脱羧：异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸、-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA2步加水：柠檬酸的生成过程和延胡索酸水化生成苹果酸1步底物水平磷酸化(GTP),5.5.2.2 草酰乙酸的回补反应,草酰乙酸回补的主要途径,丙酮酸的羧化,在动植物和微生物中，还存在由苹果酸酶和苹果酸脱氢酶联合催化，由丙酮酸合成草酰乙酸的途径。,
26、PEP的羧化,反应在胞液中进行，生成的草酰乙酸需转变成苹果酸后穿梭进入线粒体，再脱氢生成草酰乙酸。,天冬氨酸和谷氨酸转氨作用,Asp和Glu经转氨作用可形成草酰乙酸和-酮戊二酸。Ile、Val、Thr、Met 也可形成琥珀酰CoA。,5.5.2.3 TCA中的化学计量和特点,CO2的生成脱氢反应TCA有5次脱氢，4对H还原NAD+生成 4NADH，1对H 还原FAD生成1FADH2。,三羧酸循环的化学计量和能量计量,a、总反应式:CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+FADH2+GTP,b、三羧酸循环的能量计量,葡萄糖完全氧化产生
27、的ATP,酵解阶段：2 ATP 2 1 NADH,2 ATP,5ATP或3 ATP,总计：32 ATP或30 ATP,5.5.3 三羧酸循环的调控,5.5.4 TCA的生理意义,TCA是机体获取能量的主要方式。TCA是物质代谢的枢纽。TCA的一些中间产物也是某些植物的贮藏物质。,5.6 磷酸戊糖途径(PPP/HMS),实验研究表明：在组织中添加糖酵解抑制剂如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，这说明葡萄糖还有其它的代谢途径。许多组织细胞中都存在另一种葡萄糖降解途径，即磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP)，也称为磷酸己糖旁路(hexose monophos
28、phate pathway，HMP)。参与磷酸戊糖途径的酶类都分布在动物细胞细胞浆中，动物体中约有30%的葡萄糖通过此途径分解。,TAC,磷酸戊糖途径的代谢起始物是G-6-P，返回的代谢终产物是3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖，其重要的中间代谢产物是5-磷酸核糖和NADPH。磷酸戊糖途径在细胞的胞液(cytoplasm)中进行。关键酶是6-磷酸葡萄糖脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase)。,5.6.1.1葡萄糖的氧化脱羧阶段1.脱氢反应,5.6.1磷酸戊糖途径的生化历程,2.水解反应,3.脱氢脱羧反应,5.6.1.2 非氧化的分子重组合阶段,4.异构化反应,5
29、.转酮醇反应,6.转醛醇反应,7.转酮醇反应,8.异构化反应,5.6.2 磷酸戊糖途径的化学计量与生物学意义,5.6.2.1 磷酸戊糖途径的化学计量从6G6P开始，经两次脱氢氧化及脱羧后，放出6CO2，生成65-Ru5P和12NADPH。PPP是通过G6P直接脱氢脱羧将糖氧化分解。脱氢酶的辅酶为NADP，无ATP的产生与消耗。表明经6次循环，1分子G6P被分解而产生6分子CO2。在非氧化阶段，6Ru5P(30个C)经C3、C4、C5、C7等糖中间代谢物，最后转化成5G6P(30个C)。,5.6.2.2 磷酸戊糖途径的生物学意义,产生大量NADPH，为细胞各种合成反应提供还原力。PPP的中间产物为许多化合物的合成提供原料。PPP与光合作用联系实现某些单糖间的互变。,5.6.3 磷酸戊糖途径的调控,
